0→1：调控同型和异型相互作用可视化聚集体的演变过程

聚集体的演化是聚集体科学的一个重要研究分支，体现了聚集体在时间维度上的形态多样性。在生命体系中，细胞内部无膜细胞器的演化过程则是一典型例证。通过液-液相分离形成的无膜细胞器既可以发生可逆的溶解过程，又可以进一步演化为纤维化的热力学稳定产物。这一过程与许多神经退行性疾病的发生发展密切相关，如阿尔茨海默病和帕金森病。因此，聚集体的演化机制研究对于理解这些疾病的病理过程有重要意义。在化学领域，从事超分子自组装领域的研究人员此前报道了利用荧光技术实时跟踪组装体的演化，且大多数超分子体系都是通过观察荧光发射波长的移动以实现实时监测。而以荧光开启的方式可视化聚集体的演变过程是十分必要的，因为这样不仅可以提高监测的灵敏度，亦能够通过测量荧光量子产率反映聚集体的演变过程。

图1. 阿尔茨海默病中Aβ低聚物的演变行为。图片来源：Nat. Chem., 2020, 12, 445-451

以“0→1”荧光开启方式追踪聚集体的演变过程对荧光分子的自身性质提出了更高的要求。由聚集诱导发光（AIE）分子形成的聚集体具有多样的堆积行为，通过激活和限制分子运动，有望实现聚集体演变过程中荧光从暗到亮的转变。近日，香港科技大学唐本忠院士（点击查看介绍）团队对一种甲氧基修饰三苯基丙烯腈衍生物（TPAN-2MeO）的聚集体演化行为进行了系统性研究。TPAN-2MeO的固态粉末表现出典型的AIE特性和很高的荧光量子产率（35%），但在水中形成聚集体后其荧光量子产率不足1%，荧光寿命也大幅降低。通过与四苯基乙烯（TPE）和三苯基丙烯腈（TPAN）的对比研究，文章发现TPAN-2MeO与自身形成的同型相互作用较弱，导致水中形成的聚集体堆积较为松散，从而有利于处于激发态的分子发生非辐射跃迁过程。分子动力学研究和拉曼光谱实验证实了TPAN-2MeO容易与水分子形成强异型相互作用，这一优势分子构象促进了极性环境中的非辐射跃迁过程。此项研究亦关联到多个在水溶液中处于荧光暗态的AIE聚集体，有望为理解AIE聚集体的暗态形成和AIE探针开发提供启发和借鉴。

图2. TPAN-2MeO聚集态下的荧光性质。 

图3. AIE暗态聚集体用于分子传感。

TPAN-2MeO在水中形成处于荧光暗态的亚稳态聚集体，可以推测其处于热力学平衡态的聚集体具有与固态相似的荧光性质。在超声的作用下，TPAN-2MeO聚集体的荧光强度和荧光量子产率可以在两分钟内发生数十倍的提升。在此过程中，其形貌由原先的球形转变为块状。实验研究表明，这一转变过程只在水的体积分数（fw）大于80%的条件下才能发生，且在此前提下，降低水的体积分数能够促进演变过程。该聚集体演变过程亦显现出“种子效应”（Seeding effect），即形成的块状聚集体可以作为催化剂加速聚集体的演变过程（类似于朊病毒感染宿主细胞的自催化过程）。不同TPAN-2MeO浓度下的超声诱导发光实验表明球形聚集体是块状产物演化路径上（on-pathway）的亚稳态中间体。基于拉曼光谱、瞬态吸收实验和分子动力学模拟，文章进一步揭示在超声的作用下，TPAN-2MeO与水分子形成的异型相互作用大幅减弱，同时TPAN-2MeO与自身形成的同型相互作用显著增强，使得以荧光开启方式追踪聚集体的演变过程成为可能。文章还研究了TPE、TPAN和TPETPAFN（Scientific reports, 2013, 3, 1150）超声诱导下的聚集体演变过程，提出过强的同型相互作用是TPETPAFN聚集体无法发生演变的主要原因。除此之外，作为超声的替代方式，机械搅拌可以促进TPAN-2MeO与F-127的共组装过程，测得的荧光强度可以发生百倍的增加。相对于超声形成的块状聚集体，机械搅拌形成的均匀纳米片荧光量子产率也得到进一步提升。

图4. 超声诱导聚集体演变和荧光点亮。

图5. 聚集体演变过程的能级图。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是徐昌活博士和欧新文博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Modulation of Heterotypic and Homotypic Interactions to Visualize the Evolution of Organic Aggregates in a Fluorescence Turn-on Manner

Changhuo Xu, Xinwen Ou, Bingzhe Wang, Hanchen Shen, Junkai Liu, Xueqin Yang, Qingqing Zhou, Joe H. C. Chau, Herman H. Y. Sung, Guichuan Xing, Jacky W. Y. Lam*, and Ben Zhong Tang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 4851–4863, DOI: 10.1021/jacs.3c13252

导师介绍

唐本忠

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